Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск
№ 6 (2018)
Скачать выпуск PDF

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

5-12 98
Аннотация

Проведен анализ эффективности автотрассировщиков известных систем автоматизированного проектирования (САПР) топологии печатных плат (ПП) в условиях наложенных конструктивнотехнологических ограничений. Выявленные существенные ограничения связаны с тепловой прочностью проводников и возможными взаимными влияниями через электромагнитное поле. При ручном проектировании конструктор, руководствуясь собственным опытом, может проигнорировать эти и другие ограничения. В отличие от человека, автотрассировщик строго выполняет все заданные ограничения, что при заданном топологическом пространстве ПП не позволяет выполнить трассировку полностью. С другой стороны, давая большую свободу автотрассировщику, часто невозможно удовлетворить требования производства по допустимым параметрам топологического рисунка – ширине проводников и зазоров между ними. Проблема трассировки ПП, в том числе и многослойных, значительно усложнилась с появлением интегральных микросхем в корпусах типа TSOP, MOFP и BGA c числом выводов до нескольких сотен, расположенных с очень малым шагом. В статье исследована возможность максимального использования топологического пространства ПП с этими и другими типами корпусов. Обоснована необходимость введения буферной зоны вокруг компонента для повышения эффективности процедуры автотрассировки. Показано, однако, что наличие буферной зоны не избавляет от появления в ней некоторого числа межслойных переходов, зависящего от вида трассировки. На основании предложенного критерия качества работы автотрассировщика – отношения суммарной длины проводников к числу межслойных переходов – проанализирована эффективность использования топологического пространства ПП тремя автотрассировщиками. Представленные экспериментальные результаты исследования конкурирующих вариантов трассировки САПР ПП TopoR и Specctra подтвердили возможность увеличения добавленной площади топологического рисунка печатной платы для возможного дальнейшего ее использования.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫ

13-19 148
Аннотация

В настоящее время антенны Вивальди используются как направленные излучатели, которые требуют согласования и симметрирования возбуждающего СВЧ-радиосигнала на входе. Чаще всего установка в раскрыв антенны согласующе-симметрирующего устройства приводит к дополнительным потерям и искажениям диаграммы направленности излучателя, особенно в случае работы в широком диапазоне частот. Кроме того, в случаях жестких требований по условиям эксплуатации (большой диапазон рабочих температур, высокая влажность, соляной туман, вибрация и пр.) сложен подбор подходящей микросхемы. Целью исследования является разработка щелевой антенны с 50-омным портом на входе, которая была бы проста в производстве и эксплуатации, при сохранении высокого коэффициента усиления в широком диапазоне частот. Как известно, структура поля в копланарной линии близка к структуре поля в близкой к ней щелевой. С использованием математического аппарата для таких полей, средств электродинамического моделирования и численного расчета разработана система, представляющая собой две антенны Вивальди, запитываемые одной копланарной линией. Таким образом, излучатель обладает близкой к круговой диаграммой направленности и низкими потерями в структуре питания, согласования и симметрирования, функции которой выполняет копланарная линия. Представлены результаты для диапазона частот 1…6 ГГц. Устройство в целом представляет собой диэлектрическую подложку, на которой двусторонней металлизацией выполнена излучающая структура. Для работы в более высоких диапазонах допустимо использовать излучатели на основе Finline. Кроме очевидных конструктивных плюсов антенна обладает низкой стоимостью в производстве и легко повторяема. В настоящее время авторами продолжается работа по исследованию использования таких элементов в составе антенных решеток.

20-29 179
Аннотация

Кольцевые антенные решетки (КАР), выполненные из симметричных вибраторных излучателей, широко используются в системах связи, навигации и мониторинга. Несмотря на их широкое применение, ряд существенных моментов исследован недостаточно. К ним следует отнести анализ частотной зависимости антенного фактора (АФ) (отношения модуля напряженности электрического поля к амплитуде напряжения на нагрузке, подключенной к выходным зажимам) элементов КАР в корректной электродинамической постановке.
Целью статьи является анализ частотной зависимости АФ одиночной симметричной вибраторной антенны (СВА) при разных геометрии и характере нагрузки как в свободном пространстве, так и в составе КАР, а также оценка погрешности определения разности фаз между ее элементами, обусловленной учетом взаимного влияния элементов.
С применением математической модели, основанной на системе связанных интегральных уравнений (СИУ), выполнен анализ частотной зависимости АФ одиночной СВА, получены конкретные аналитические выражения для АФ одиночной СВА в одно- и трехмодовом приближениях, указаны границы их применимости в полосе частот. Решение СИУ получено методом Галеркина в кусочно-синусоидальном базисе при произвольном числе базисных функций для восьми- и четырехэлементных КАР. Решение может быть обобщено на произвольное количество элементов в составе КАР. Показано, что для улучшения частотной зависимости АФ целесообразно использовать СВА с высокоомной нагрузкой, а также с большим диаметром. Рассмотрены фазовые ошибки относительно выбранного опорного излучателя в разных элементах КАР для сигналов, наводимых внешним падающим полем плоской волны.
Обнаружено наличие существенных осцилляций в частотной зависимости АФ и фазовой ошибки, обусловленных взаимным влиянием излучателей, которые существенно зависят от расстояния между элементами. Приведенные результаты могут представлять интерес для разработчиков фазовых пеленгаторов.

30-40 110
Аннотация

Для широкополосного радиопеленгатора УКВ-диапазона разработаны и исследованы когерентный и некогерентный алгоритмы пеленгования при коммутируемом и некоммутируемом подключении антенной решетки (АР) к радиоприемному устройству в односигнальном и многосигнальном режимах пеленгования. Синтез выполнен на основе методов пространственно-временной́ теории радиосистем. Численным расчетом пеленгационной характеристики алгоритмов при различном числе элементов АР определена верхняя граничная частота рабочего диапазона, в котором при данной конфигурации обеспечиваются однозначные оценки азимута и угла места. Показано, что при нечетном числе антенн амплитудно-фазовое распределение АР является уникальным в более широкой полосе частот, чем при четном числе антенн. Благодаря этому свойству на основе метода MUSIC, примененного в пространстве элементов АР, разработан алгоритм пеленгования в широкой полосе частот при наличии нескольких сигналов, перекрывающихся по частоте, при коммутируемом и некоммутируемом подключении АР к радиоприемному устройству. Статистическим имитационным моделированием показано, что применение методов ESPRIT и MUSIC в пространстве диаграммы направленности АР не позволяет реализовать пеленгование в широкой полосе частот при фиксированной конфигурации антенной решетки. Приведены результаты натурных исследований разработанных алгоритмов в односигнальном и многосигнальном режимах работы, программно-аппаратно реализованных в радиопеленгаторе УКВ-диапазона. Выполнен сравнительный анализ разработанных алгоритмов с известными при фиксированной конфигурации АР. Показано, что при одной и той же конфигурации АР именно алгоритм пеленгования определяет диапазон частот, в котором обеспечивается однозначность пеленгования.

41-53 118
Аннотация

Микроволновые фильтры являются неотъемлемым базовым элементом генераторов, синтезаторов частот, приемо-передающих модулей антенных систем с электрическим сканированием. Актуальной задачей остается разработка миниатюрных и технологичных микроволновых фильтров с повышенными требованиями к форме амплитудно-частотной характеристики, а также поиск новых методов для их анализа и расчета. Реализация алгоритмов для трехмерного расчета требует значительных временных ресурсов и представляет достаточно сложную задачу.
Цель работы заключается в разработке упрощенного алгоритма анализа коэффициентов связи между микрополосковыми резонаторами и создании на его основе топологий полосовых квазиэллиптических фильтров шестого порядка с относительной полосой пропускания 10 % для X- и L-диапазонов частот.

С помощью рекурсивного метода проводится расчет матрицы коэффициентов связи, а также выбор наиболее компактной и удобной для физической реализации топологии связей. Предложен метод анализа и расчета собственных частот связанных микрополосковых резонаторов. Метод основан на численном решении электродинамической задачи. С помощью представленного алгоритма исследуются особенности поведения модуля и знака коэффициента связи для базовых структур из связанных микрополосковых резонаторов с четырьмя различными взаимными расположениями. На основе проведенных исследований строятся топологии квазиэллиптических фильтров для дальнейшей оптимизации в пакете электродинамического моделирования Ansys HFSS.
В результате проведенных расчетов были изготовлены макеты квазиэллиптических микрополосковых полосовых фильтров и измерены частотные характеристики их S-параметров. Результаты экспериментальных исследований показывают, что достигнуты заданные положения нулей затухания, а также требуемые уровни режекции.

ТЕЛЕВИДЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ

54-65 113
Аннотация

Эндоскопическое обследование занимает ведущее место в практической медицине. Современным направлением исследований, реализующим повышение эффективности эндоскопического осмотра, является разработка систем поддержки врачебных решений. Это системы нового типа, предполагающие интеграцию результатов автоматического анализа сигналов изображений c результатами, полученными врачом, а также использование информации, имеющейся в базе данных системы. Взаимодействие врача с системой позволяет обеспечить значительное повышение чувствительности и специфичности диагностики.
Цель проведенного исследования – создание новых автоматических методов цифровой обработки эндоскопических изображений, обеспечивающих их высокую эргономичность и возможность эффективного использования в системах поддержки врачебных решений. В рамках исследования предложены следующие методы: метод сегментации и удаления зеркальных бликов; метод компенсации радиальных и тангенциальных геометрических искажений, особенно выраженных при использовании широкоугольных объективов в эндоскопических камерах; метод формирования мозаичной панорамы из входного видеопотока в условиях низкой детальности исходных сюжетов; метод адаптивной коррекции яркости и контраста изображений, обеспечивающий одновременную успешную коррекцию как темных, так и светлых областей изображения (неравномерный контраст) без значительного подчеркивания шумовой составляющей, характерного для существующих методов нелинейного контрастирования; процедура цветокоррекции по критерию "комфортное восприятие", основанная на матрице линейных преобразований, учитывающая характеристики эндоскопических изображений и позволяющая настраивать цветовую палитру в соответствии с личными предпочтениями врача.
Рассмотренные методы успешно прошли тестирование на реальных эндоскопических изображениях в отделе инновационных медицинских приборов Корейского электротехнологического научно-исследовательского института. Результаты тестирования показывают их эффективность и целесообразность использования в системах поддержки врачебных решений.

РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ

66-74 82
Аннотация

Объектом исследования является процедура поиска сигнала радионавигационной системы наземного базирования, использующей шумоподобные дискретные сигналы с большой базой. Проведен сравнительный анализ качественных показателей поиска сигнала как наиболее трудоемкой и времязатратной процедуры при различных модуляционных форматах навигационного сигнала в наихудших для потребителя условиях и при ограниченном частотном ресурсе, выделенном системе.
Повышение спектральной эффективности сигналов, используемых радиотехническими системами (РТС) в условиях жестких требований обеспечения электромагнитной совместимости, практически реализуемо разумным выбором способа манипуляции шумоподобного сигнала (ШПС). В связи с этим особую значимость приобретают полосно-эффективные способы манипуляции ШПС, для которых достигается постоянство огибающей сигнала. Среди методов формирования ШПС наиболее распространены фазовые, амплитуднофазовые и амплитудные. Однако колебания последних двух названных методов предъявляют повышенные требования к линейности приемного и передающего трактов РТС и не позволяют достичь единичного значения пик-фактора, т. е. равенства средней и мгновенной мощностей излучаемого сигнала, что приводит к снижению эффективности утилизации энергоресурса системы. Поэтому для формирования ШПС в первую очередь должна быть рассмотрена фазовая манипуляция (ФМ) и как альтернатива ей – минимальная частотная манипуляция (МЧМ).
Проанализирована полосная эффективность ШПС с МЧМ и ФМ, получены соотношения для среднего максимального времени поиска навигационного сигнала (средней продолжительности поисковой процедуры в наихудших для потребителя навигационной информации условиях) при фиксированной вероятности правильного завершения поиска. Сопоставлены качественные показатели поисковой процедуры для МЧМ и ФМ при одинаковой полосной эффективности и одинаковой длительности элементарных символов.
По результатам анализа показано, что в условиях равноценных ограничений на занимаемый частотный диапазон и при одинаковых требованиях к достоверности поисковой процедуры поиск МЧМ ШПС эффективен и осуществим при существенно меньших временны́х затратах, чем ШПС с традиционной бинарной ФМ.

75-90 285
Аннотация

Пассивные бистатические радиолокационные станции (ПБРЛС) в настоящее время позволяют осуществлять обнаружение, определение координат и сопровождение движущихся объектов. Для обеспечения возможности интеграции ПБРЛС в системы управления воздушным движением необходимо решить задачу распознавания воздушных объектов, в частности винтомоторных летательных аппаратов (ЛА). Это позволит увеличить степень обеспечения безопасности полетов авиации. Для решения задачи распознавания проведен анализ эхосигналов от винтомоторных ЛА – таких, как вертолет и винтовой самолет. Сформулированы информативные признаки, которые могут быть использованы при распознавании винтомоторных ЛА в ПБРЛС. Предложен метод распознавания винтомоторных ЛА, который основан на извлечении модуляционных составляющих эхосигнала, обусловленных вращающимися частями двигательной установки ЛА, и на оценке параметров их вращения. Разработан алгоритм обработки эхосигналов, позволяющий реализовать предложенный метод распознавания на практике в ПБРЛС. Представлены экспериментальные результаты работы алгоритма обработки на примере реальных сигналов, отраженных от вертолета Ми-8 и винтового самолета Cessna 172. Экспериментальные данные записаны двумя разными ПБРЛС, использующими сигналы цифрового эфирного телевидения стандарта DVB-T2 в качестве радиолокационного подсвета воздушного пространства. Оцененные параметры вращения лопастей винтов винтомоторных ЛА соответствуют фактическим значениям. Такое соответствие позволяет не только распознавать класс, но и в некоторых случаях идентифицировать тип ЛА.

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛН

91-101 58
Аннотация

Двухслойные трубы получают все более широкое распространение в различных областях промышленности и хозяйственной деятельности. Применение такого класса изделий обусловлено особыми условиями эксплуатации. Это повышенная температура, агрессивная среда, повышенное давление. Такие изделия зачастую имеют ограниченный доступ. Поэтому невозможно использовать методы контроля, предполагающие полное сканирование поверхности, без полного извлечения изделия из рабочей среды.
Статья посвящена исследованию распространения волн в двухслойной трубе с учетом жесткости контакта между ее слоями.
Рассмотрено распространение волн в двухслойной трубе с известными упругими параметрами материалов. Аналитическим решением уравнения движения относительно векторного и скалярного потенциалов получено дисперсионное уравнение. Оно описывает частотное распределение фазовых скоростей возможных волн в исследуемом волноводе. Аналогичным образом получено дисперсионное уравнение для двухслойной трубы с учетом степени жесткости контакта между слоями. Для этого в граничные условия введены дополнительные слагаемые, включающие нормальный и тангенциальный коэффициенты контактной жесткости. Показано, что в обоих случаях крутильные волны отделяются от других видов волн и могут быть рассмотрены отдельно.
На основе численного решения дисперсионного уравнения рассмотрено возможное поведение дисперсионных кривых без учета контактной жесткости, а также с учетом контактной жесткости при различных коэффициентах перфорации. Сделан вывод о влиянии контакта между слоями на поведение крутильных волн в двухслойной трубе. Аналогичным методом решена задача для модели однородной трубы с внутренним расслоением.
Даны рекомендации по учету выявленных закономерностей при создании ультразвуковых методов контроля, основанных на распространении крутильных волн.

МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

102-110 104
Аннотация

Наиболее распространенным методом упрочнения поверхностей осей подвижного состава является обработка холодным пластическим деформированием путем накатки роликами. К основным параметрам технологического процесса после накатывания относятся микротвердость поверхностного слоя металла оси и его глубина. Для контроля поверхностного слоя металла применяется способ, основанный на вырезании продольных штифтов и контроле твердости по методу Виккерса. Существующие методы неразрушающего контроля базируются на измерении индукции и других магнитных величин в объеме сердечника намагничивающего устройства. Это вносит методическую погрешность и ограничивает возможности определения структуры обрабатываемого материала.
Цель работы – теоретическое и экспериментальное исследование метода контроля параметров упрочненного слоя оси при помощи анализа характеристик магнитного поля рассеяния намагниченного локального участка поверхности оси до и после обработки накаткой роликами.
Предложен метод определения толщины упрочненного слоя металла оси подвижного состава, основанный на измерении параметров магнитного поля рассеяния намагниченного локального участка до и после обработки. Для обоснования предлагаемого метода проведено математическое моделирование магнитного поля рассеяния локального намагниченного участка оси.
Контроль упрочненного слоя металла выполняется намагничиванием локального участка оси электромагнитом с последующим измерением напряженности магнитного поля рассеяния. Определяется максимальное значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля, которое является информативным параметром. Разработана математическая модель магнитного поля намагниченного участка, приведены результаты численных и натурных экспериментов. Оценено расхождение экспериментальных данных и результатов теоретических расчетов.
Метод дает возможность контролировать толщину упрочненного слоя металла и качество упрочнения оси подвижного состава.

ПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

111-117 103
Аннотация

Одной из важнейших задач при проведении хирургических операций является оценка глубины анестезии пациента. Глубина общей анестезии традиционно оценивалась с помощью гемодинамических признаков, которые плохо коррелируют с уровнем сознания пациента. Сигналы электроэнцефалограммы (ЭЭГ) содержат ценную информацию о процессах в мозге пациента, поэтому анализ ЭЭГ рассматривается как один из наиболее полезных методов в исследовании и оценке глубины анестезии в клинических применениях. Нелинейный анализ для оценки глубины анестезии позволяет получить информацию, которая не может быть получена с использованием методов спектрального анализа ЭЭГ. Формирование комплекса диагностически значимых показателей ЭЭГ во время анестезии дает возможность адекватно описать эти сложные процессы и изменения с помощью совместного использования четырех параметров ЭЭГ: SE, BSR, SEF95, RBR.
Целью работы является исследование влияния длительности анализируемого фрагмента сигнала ЭЭГ на точность оценки уровней анестезии с помощью алгоритма линейного дискриминантного анализа и определение длины сигнала ЭЭГ, при которой получается приемлемая точность разделения уровней наркоза с помощью этих параметров.
Предложен новый метод классификации уровней анестезии по ЭЭГ. Показана возможность классификации уровней анестезии с помощью совместного использования рассматриваемых параметров ЭЭГ (SE, BSR, SEF95, RBR). Метод может быть использован в мониторах анестезии, служащих для контроля глубины наркоза в целях выбора подходящей дозы анестезирующих препаратов во время операций, что позволит избежать как случаев интраоперационного пробуждения, так и излишне глубокого наркоза.

118-125 63
Аннотация

Миографическая помеха является одной из самых распространенных помех, присутствующих в электрокардиосигнале. В случае использования нескольких отведений электрокардиосигнала миографическая помеха в разной степени оказывает влияние на каждое из отведений. Это влияние может быть учтено при построении алгоритмов обработки многоканальных записей электрокардиосигнала. Однако в существующей литературе недостаточно полно исследован анализ взаимосвязей отсчетов миографической помехи в различных отведениях электрокардиосигнала. Цель работы – эмпирическое исследование статистических характеристик миографической помехи, выделенной из зашумленных фрагментов электрокардиосигнала. Предложен метод выделения миографической помехи из записей электрокардиосигнала. Метод основан на полиномиальной аппроксимации фрагментов электрокардиосигнала в скользящем окне с последующим весовым усреднением перекрывающихся фрагментов. С использованием данного метода из многоканальных записей электрокардиосигнала были выделены фрагменты миографической помехи. На основе выделенных фрагментов подобрано совместное распределение отсчетов миографической помехи в двух смежных отведениях, а также исследованы корреляционные взаимосвязи между отсчетами миографической помехи в различных отведениях электрокардиосигнала. В результате установлено, что совместное распределение отсчетов миографической помехи в двух смежных отведениях в первом приближении может быть описано с помощью двумерного нормального закона. Кроме того, между отсчетами миографической помехи из двух смежных отведений могут наблюдаться довольно сильные корреляционные взаимосвязи.

КОНФЕРЕНЦИИ И СЕМИНАРЫ



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)